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Par cinemático y grados de libertad




Enviado por julian_castro



    Indice
    1.
    Introducción

    2. Mecanismos y
    máquinas


    4. Tipos De
    Movimiento

    5. Eslabones, juntas y cadenas
    cinemáticas

    6. Determinación del grado de
    libertad

    7. Mecanismos y
    estructuras

    8. La condición de
    Grashof

    9.
    Consideraciones prácticas

    1.
    Introducción

    Cinemática y cinética
    Cinemática: estudio del movimiento sin
    consideración de las fuerzas.
    Cinética: Estudio de fuerzas en sistemas en
    movimiento.
    Un propósito principal de la cinemática es crear
    (diseñar) los movimientos deseados de los elementos
    mecánicos considerados, y luego calcular
    matemáticamente las posiciones, velocidades y
    aceleraciones que tales movimientos generarán sobre dichos
    elementos.

    2. Mecanismos y
    máquinas

    Mecanismo: Sistema de
    elementos dispuestos para transmitir movimiento en un modo
    predeterminado. Ejemplos: sacapuntas de manivela, obturador de
    cámara fotográfica, reloj analógico, silla
    plegadiza, lámpara ajustable de escritorio y
    sombrilla.
    Máquina: Sistema de elementos dispuestos para transmitir
    movimiento y energía en un modo predeterminado. Ejemplos:
    batidora o mezcladora de alimentos, puerta
    de la bóveda de un banco, engranaje
    de transmisión de un automóvil y robot.

    3. Conceptos fundamentales
    de cinemática

    Grados De Libertad
    El número de grados de libertad (GDL)
    de un sistema es el número de parámetros
    independientes que se necesitan para
    definir unívocamente su posición en el espacio en
    cualquier instante.
    En el plano se requiere de tres parámetros (GDL): dos
    coordenadas lineales (x,y) y una coordenada angular (q ).
    En el espacio se requiere de seis GDL: tres distancias (x,y,z) y
    tres ángulos (q ,f ,r ).
    Se define cuerpo rígido como aquel que no experimenta
    ninguna deformación.

    4. Tipos De
    Movimiento

    Rotación pura: El cuerpo posee un punto (centro
    de rotación) que no tiene movimiento con respecto al marco
    de referencia estacionario. Todos los demás puntos del
    cuerpo describen arcos respecto a ese centro. Una línea de
    referencia marcada en el cuerpo a través de su centro
    cambia únicamente en orientación angular.
    Traslación pura: Todos los puntos en el cuerpo describen
    trayectorias paralelas (curvas o rectas). Una línea de
    referencia trazada en el cuerpo cambia su posición lineal
    pero no su orientación o posición angular.
    Movimiento complejo: Es una combinación simultánea
    de rotación y traslación.

    5. Eslabones, juntas y
    cadenas cinemáticas

    Eslabón: Cuerpo rígido que posee al menos
    dos nodos, que son los puntos de unión con otros
    eslabones. El número de nodos le da su nombre al
    eslabón:
    Binario = dos nodos, Terciario = tres nodos, etc.
    Junta o par cinemático: Conexión entre dos o
    más eslabones que permite algún movimiento o
    movimiento potencial entre los eslabones conectados. Pueden
    clasificarse en varios modos:

    1. Por el número de grados de
      libertad.
    2. – Rotacional 1 GDL

      – Prismática o Deslizante 1 GDL

    3. Por el tipo de contacto entre los
      elementos.
    • Unión completa o par cinemático
      inferior: contacto superficial
    • Unión media o par cinemático
      superior: contacto sobre una línea o un
      punto

    A las juntas con dos GDL se les llama
    semijuntas.

    1. Por el tipo de cierre de la junta.
    • Forma: su forma permite la unión o el
      cierre
    • Fuerza: requiere de una fuerza
      externa para mantenerse en contacto o cierre.
    1. Por el número de eslabones conectados u
      orden de la junta.
    2. Se define como el número de eslabones
      conectados menos uno.
      Cadena cinemática: Es un ensamble de eslabones y
      juntas interconectados de modo que proporcionen un
      movimiento de salida controlado en respuesta a un
      movimiento de entrada proporcionado.
      Mecanismo: Es una cadena cinemática en la cual por
      lo menos un eslabón ha sido fijado o sujetado al
      marco de referencia (el cual puede estar en
      movimiento).
      Máquina: Es una combinación de cuerpos
      resistentes dispuestos para hacer que las fuerzas
      mecánicas de la naturaleza
      realicen trabajo acompañado por movimientos
      determinados. Es un conjunto de mecanismos dispuestos para
      transmitir fuerzas y realizar trabajo.
      Manivela: Eslabón que efectúa una vuelta
      completa o revolución, y está pivotado a
      un elemento fijo.
      Balancín u oscilador: Eslabón que tiene
      rotación oscilatoria y está pivotado a un
      elemento fijo.
      Biela o acoplador: Eslabón que tiene movimiento
      complejo y no está pivotado a un elemento fijo.
      Elemento fijo: Cualesquiera eslabones (o eslabón)
      que estén sujetos en el espacio, sin movimiento en
      relación con el marco de referencia.

      6.
      Determinación del grado de libertad

      Mecanismo cerrado: No tendrá nodos con
      apertura y puede tener uno o más grados de
      libertad.
      Mecanismo abierto con más de un eslabón:
      Tendrá siempre más de un grado de libertad y
      con esto necesitará tantos actuadores (motores)
      como GDL tenga.
      Díada: Cadena cinemática abierta de dos
      eslabones binarios y una junta.
      Ecuación de Gruebler
      GDL = 3L – 2J – 3G
      Donde:
      GDL: número de grados de libertad
      L: número de eslabones
      J: número de juntas
      G: número de eslabones fijados

      Ecuación de Kutzbach
      GDL = 3(L – 1) – 2J1 –
      J2
      Donde:
      L: número de eslabones
      J1: número de juntas completas
      J2: número de semijuntas

      7. Mecanismos y
      estructuras

      Los GDL de un ensamble de eslabones predicen por
      completo su carácter. Hay sólo tres
      posibilidades:
      1) GDL positivo: Se tendrá un mecanismo, y los
      eslabones tendrán movimiento relativo.
      2) GDL = 0: Se tendrá una estructura, y ningún movimiento es
      posible.
      3) GDL negativo: Se tendrá una estructura
      precargada, por lo que ningún movimiento es posible
      y algunos esfuerzos pueden también estar presentes
      en el momento del ensamble.
      Inversión de mecanismos: Consiste en
      fijar un eslabón diferente en la cadena
      cinemática.
      Nota: El eslabonamiento de cuatro barras es el mecanismo
      articulado más simple posible para movimiento
      controlado de un grado de libertad.

      8. La
      condición de Grashof

      La condición de Grashof es una
      relación muy simple que pronostica el comportamiento de las inversiones de un eslabonamiento de cuatro
      barras con base sólo en las longitudes de
      eslabón.
      Sean:
      S = longitud del eslabón más corto
      L = longitud del eslabón más largo
      P = longitud de un eslabón restante
      Q = longitud de otro eslabón restante

      Luego si:
      S + L (= P + Q
      El eslabonamiento es Grashof, y por lo menos un
      eslabón será capaz de realizar una
      revolución completa con respecto al plano de
      fijación. Si esa desigualdad no es cierta, entonces
      el eslabonamiento es no-Grashof, y ningún
      eslabón será capaz de realizar una
      revolución completa relativa respecto al plano de
      fijación.
      Se tienen los siguientes casos:

    3. S + L (P + Q)
    • Si se fija uno u otro eslabón adyacente al
      más corto, se obtiene una manivela-balancín, en
      la cual el eslabón más corto girará
      completamente y oscilará el otro eslabón
      pivotado a tierra.
    • Si se fija el eslabón más corto se
      logrará una doble manivela, en la que los dos
      eslabones pivotados a tierra realizan revoluciones completas,
      como también lo hace el acoplador.
    • Si se fija el eslabón opuesto al más
      corto, se obtendrá un doble balancín, en el que
      oscilan los dos eslabones fijos pivotados a tierra y
      sólo el acoplador realiza una revolución
      completa.
    1. S + L (P + Q)
    2. Todas las inversiones serán doble
      balancín.

    3. S + L = P + Q
    • Paralelogramo
    • Antiparalelogramo
    • Doble paralelogramo
    • Deltoide

    9. Consideraciones
    prácticas

    Junta de pasador simple: Su configuración de
    perno a través de un hueco conduce a la captura de una
    película de lubricante entre las superficies de contacto
    cilíndricas. Ejemplo: mecanismo limpiaparabrisas.
    Juntas de corredera: Estos elementos requieren una ranura o
    varilla rectas cuidadosamente maquinadas. La lubricación
    es difícil de mantener ya que el lubricante no es
    capturado por configuración y debe ser provisto de nuevo
    al correr la junta. Ejemplo: los pistones en los cilindros de un
    motor.
    Semijuntas: Experimentan aún más agudamente los
    problemas de
    lubricación de la corredera debido a que por lo general
    tienen dos superficies curvadas de manera opuesta en contacto
    lineal, que tienden a expulsar la capa de lubricante en la
    unión. Ejemplo: las válvulas
    de un motor que se abren y cierran por juntas de
    leva-seguidor.

     

     

     

     

     

    Autor:

    Julián Marcel Castro Arias

    Cód: 65011079
    Universidad libre
    de Colombia
    Facultad de ingeniería mecánica
    Bogotá D.C., A de junio de 2003

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